Esta etapa teve o intuito de levar o estudante a perceber, de forma qualitativa, quais fatores interferem na difração de um material, por meio da compreensão do fenômeno de inter- ferência e, enfim, elaborar um modelo para explicar a difração na tela do celular utilizando os conceitos aprendidos.
É subdividida em 3 aulas, seguindo o roteiro:
a) Atividade para desenvolver os conceitos de interferência. b) Atividade do painel, mostrando o que interfere na difração.
c) Elaboração do modelo de difração da luz do laser na tela do celular.
A professora iniciou a etapa citando que para entender o fenômeno da difração evidenci- ado no experimento da última aula era necessário entender quando e como ocorre a interferência da luz. Nessa perspectiva, foi exposta a questão orientadora da etapa:
“O que acontece quando duas ondas se encontram? O que você observa se as ondas estão em fase, ou seja, se a crista da primeira onda coincide com a crista da segunda onda? O que acontece quando a crista da primeira onda coincide com o vale da segunda?”.
Para entender o fenômeno da interferência foram fornecidas ondas senoidais impressas em transparências para que os estudantes manipulassem e verificassem a superposição de ondas. Para tal, os estudantes trabalharam em grupos, manipulando o material e respondendo ao roteiro de atividades (Atividade adaptada da sequência didática de Silva (2015), desenvolvida para a sua dissertação de mestrado).
As transparências eram desenhos de duas ondas, uma na cor vermelha e outra na cor azul, em fase; e desenhos de duas ondas, em oposição de fase (figura6.1).
Figura 6.1 – Ondas senoidais impressas em transparências para verificação da superposição de ondas.
Nesse momento a professora explicou que ao coincidir crista com crista ou vale com vale há interferência construtiva e a amplitude da onda resultante é igual a soma das amplitudes das duas ondas originais. Assim como ao superpor crista com vale há interferência destrutiva e a amplitude se anula.
Cada grupo recebeu as figuras para que manipulasse e respondesse ao roteiro dessa atividade. Esse roteiro era constituído por seis questões. Na primeira pergunta foi solicitado aos estudantes que posicionassem as transparências alinhando as cristas entre si e desenhassem o que foi observado. Na segunda pergunta foi questionado o que acontece quando duas ondas em fases percorrem caminhos diferentes até chegarem em um ponto onde se superpõem, sendo a diferença dos caminhos, entre elas, um comprimento de onda. A terceira relaciona o que acontece se essa diferença dos caminhos for duas ou três vezes o comprimento da onda.
Foi observado que todos os grupos desenharam corretamente a superposição das duas ondas em fase, assim como todos responderam corretamente às questões 2 e 3, como podemos perceber nas respostas dos grupos 1 e 2 (G1 e G2):
G1: Em fase as duas ondas se encontram crista com crista vai ocorrer uma onda construtiva. O mesmo.
G2: Vai ocorrer interferência construtiva. Também interferência construtiva.
Seguindo o roteiro da atividade, a quarta questão solicitou aos estudantes que posici- onassem as transparências alinhando cristas com vales da onda e desenhassem o que foi ob- servado. A quinta pergunta questiona o que acontece quando duas ondas em fases percorrem caminhos diferentes até chegarem em um ponto onde se superpõem, sendo a diferença dos ca- minhos, entre elas, meio comprimento de onda. A terceira relaciona o que acontece se essa diferença dos caminhos for 3/2 ou 5/2 do comprimento de onda.
Todos os grupos desenharam corretamente a superposição das duas ondas em oposição de fases e responderam corretamente as questões 5 e 6. No trecho a seguir foram transcritas as respostas dos grupos 1 e 2 (G1 e G2):
G1: Cristas com vales se anulam.
G2: Interferência destrutiva. 3/2 = 1 + 1/2 e 5/2 = 2 + 1/2.
No início, os estudantes tiveram dificuldades em entender como responder, mas após a mediação da professora, todos desenvolveram a atividade corretamente, apresentando compre- ensão do tema abordado.
A dificuldade inicial dos estudantes era como fazer o desenho na folha do roteiro. Com isso, a professora manipulou as transparências demonstrando como deviam desenvolver a ativi- dade, fazendo um desenho, no quadro, representando as duas ondas e solicitando que observas- sem o que aconteceria se eles juntassem as duas. Relembrando, também, as definições de cristas e vales, assim com, ondas em fases e oposição de fases. Em seguida cada grupo discutiu entre seus integrantes e conseguiram desenvolver a atividade e responder corretamente às questões.
A atividade apresentou grande potencial para reforçar o conceito sobre superposição de ondas. A interação da professora com os estudantes proporcionou um direcionamento para o desenvolvimento da atividade. O papel da professora, como orientador em sala de aula é viável, pois proporciona segurança durante o desenvolvimento das atividades e auxilia na apropriação do conhecimento científico.
Após os estudantes responderem às questões do roteiro de atividade, a professora fez uma discussão como fechamento para consolidar o conceito relacionado às interferências cons- trutiva e destrutiva.
Na aula seguinte, dando continuidade à compreensão dos conceitos de interferência e difração, foi proposta mais uma atividade investigativa, onde os estudantes verificaram quais fatores interferem no fenômeno da difração.
Foi distribuído para cada grupo um painel para o desenvolvimento da atividade. A figura
6.2apresenta um dos painéis.
Figura 6.2 – Foto do painel de cortiça utilizado para compreensão da interferência de ondas.
Os painéis são de cortiça, onde são presos dois barbantes por duas tachinhas separadas a certa distância, que representam largura das fendas por onde passa a luz. Nos barbantes foram feitas marcações a caneta que representam o comprimento de onda.
Foram montados cinco tipos de painéis modificando as distâncias entre as tachinhas e as marcações nos barbantes, para que assim os estudantes pudessem comparar as medições obtidas pelos grupos e percebessem quais fatores interferem na difração.
Cada grupo recebeu um painel e registrou as devidas medições. Foram distribuídos per- cevejos de cores azuis e vermelhas para que eles fizessem as marcações nos painéis. Quando era identificada uma interferência construtiva, crista, representada por marcações vermelhas no barbante com outra crista, era fixado um percevejo vermelho. O mesmo procedimento foi rea- lizado com o encontro de dois vales, representados com marcações azuis no barbante. Quando percebiam que duas marcações com cores diferentes se juntavam, eles marcavam com percevejo azul, representando a interferência destrutiva, superposição de vale com crista.
Após as medições e marcações das interferências construtiva e destrutiva, os grupos apresentaram os painéis para a turma. Sendo assim, os estudantes apresentaram as medidas da distância entre as fendas (representada pela distância entre as tachinhas), o valor do com- primento de onda (representado pelas marcações nos barbantes) e as medidas entre as interfe-
rências construtiva e destrutiva obtidas durante a discussão da atividade. Pode-se observar na tabela a seguir as medições dos grupos 1 (G1) e grupo 2 (G2).
A tabela6.2apresenta as medidas encontradas pelos estudantes, durante a atividade.
Tabela 6.2 – Exemplos de respostas dos estudantes referentes à atividade do painel de interferência e difração durante o desenvolvimento da atividade da sexta aula. D - indica a distância entre as fendas. λ - indica o comprimento da onda.
Medidas Transcrição
G1 D: 20 cm
λ : 5 cm.
Interferência Destrutiva: 20 cm. Interferência Construtiva: 22cm.
A distância dos pontos claros e escuros é de 10cm.
Destrutiva quando encontra crista com vale e vale com crista. Construtiva quando encontra vale com vale e crista com crista.
G2 D: 30 cm
λ : 6 cm.
Distância entre dois pontos construtivos: 10 cm.
Distância entre um ponto claro e um ponto escuro: 5 cm. Pontos claros: cristas com cristas - Construtiva.
Pontos escuro: crista com vale - Destrutiva.
Pode ser observado que o grupo 1 apresentou medidas entre a distância de dois pontos que representavam as interferências construtiva e destrutiva. Percebeu-se também, que os va- lores deram uma diferença de dois centímetros; estes teriam que ser iguais, porém, devido a algum fator na medição ou nas marcações ocorreram divergências. Já as medições do G2 estão exatas.
Todos os grupos fizeram as marcações corretamente, com algumas diferenças em um ou dois centímetros entre as interferências destrutiva e construtiva.
A atividade dos painéis ocorreu sem dificuldades e levou à participação ativa dos estu- dantes, proporcionando muito interesse aos mesmos em fazer as medições.
A atividade dos painéis leva o estudante a perceber que se as fendas por onda a luz passa forem mais afastadas, a difração apresenta pontos mais próximos, onde ocorre a interferência. Como podemos perceber nas respostas dos grupos citados na tabela 6.2, sendo que onde as fendas eram separadas por 20 cm, o distanciamento entre as interferências foi de 20 cm apro- ximadamente. Enquanto o outro grupo apresentou o distanciamento entre as fendas de 30 cm e a distância entre dois pontos claros foi de 10 cm. E, assim, como tinham medidas diferentes para os painéis de cada grupo, tal fator foi percebido pelos estudantes de forma explícita. Eles chegaram a essa conclusão com a apresentação dos colegas.
Após a apresentação das medições realizadas nos painéis por cada grupo, foi solicitado que os estudantes retornassem aos seus devidos grupos, discutissem o que foi visto na apresen-
tação e respondessem ao roteiro da atividade. Nesse roteiro o estudante deveria explicar o fato ocorrido no experimento da difração de luz nos náilons utilizados. Tendo em vista as ativida- des desenvolvidas sobre o fenômeno da interferência, assim como os experimentos propostos, esperava-se que os estudantes conseguissem explicar o fato ocorrido no experimento da difração que causou um conflito com suas ideias iniciais.
Analisando as respostas do roteiro, verificou-se que os estudantes apresentaram con- ceitos relacionados aos temas. É explícito que as discussões e os experimentos possibilitaram reforçar ainda mais o conceito de difração e interferência. Todos os grupos conseguiram relaci- onar corretamente a distância entre as fendas com a difração, respondendo satisfatoriamente ao questionamento sobre o experimento dos nylons, como pode ser observado nas respostas do G1 e G2 transcritas na tabela6.3.
Tabela 6.3 – Exemplos de respostas dos estudantes obtidas a partir do registro escrito sobre o desenvol- vimento da atividade do painel de interferência e difração, da Etapa VI.
Transcrição
G1 Quanto maior o orifício, menor será a difração e vice-versa. O
comprimento de onda deve ser na mesma ordem de grandeza do orifício. G2 Quanto menor o orifício, maior a difração. Por isso, o nylon com menos
fios possui uma difração mais afastada em relação ao outro.
O G1 ainda fez referência que o comprimento de onda deve ser aproximadamente na ordem de grandeza da abertura, mostrando que ele refletiu sobre os conceitos apresentados na aula anterior.
Pelos resultados obtidos pode-se perceber que as atividades possibilitaram o desenvol- vimento conceitual dos estudantes sobre os temas relacionados.
Na última aula da Etapa IV, com a finalidade de consolidar os conceitos, foi desenvolvida a atividade 9, demonstrando a difração na tela de um celular. A foto6.3apresenta a difração da luz do laser ao ser refletida por pontos na tela do celular formando o aparecimento de máximos e mínimos no anteparo (parede) devido à diferença de caminhos dos raios de luz.
O experimento foi realizado de forma demonstrativa diante de toda a turma. Em seguida, foi solicitado que os estudantes observassem a difração da luz na tela do celular e que compa- rassem com o experimento da difração nos nylons. Diante disso, foi solicitado que os grupos apresentassem justificativas para explicar a difração na tela do celular por meio da elaboração de modelos.
Figura 6.3 – Foto da figura de difração da luz na tela de um celular.
A seguir são apresentas fotos dos modelos e justificativas de três dos cinco grupos pes- quisados.
A figura6.4mostra o modelo e a explicação elaborados pelos grupos G1.
Figura 6.4 – Foto do modelo e discussão apresentada pelos estudantes do grupo 1 como justificativa para a difração da luz na tela de uma celular.
Quando os estudantes do Grupo 1 referem-se a “orifícios”, demonstram que perceberam a ocorrência da difração devido às inomogeneidades do sistema. Isto é, para haver a difração é necessário uma “estrutura” que reflita a luz, gerando a difração. Na ausência de um conhe- cimento mais detalhado dessa ”estrutura”, eles se referem a orifícios. Não se pode descartar a hipótese de que tenham ouvido falar de difração em dupla fendas, por isso se referem a ori- fícios. Aparentemente os estudantes pensaram na ideia de que a difração é gerada por essas estruturas de “orifícios”. Um ponto negativo é que eles estariam apresentando a ideia de que cada ponto da figura de difração seja proveniente da reflexão de um ponto. Não conceberam ainda a difração como um fenômeno de interferência entre todos os raios de luz que se refletem em todos os pontos da estrutura. Contudo, verificou-se que, nas respostas, a presença de con- cepções fundamentadas nos conceitos apresentados durante o desenvolvimento das atividades sobre difração e interferência ao citarem que a figura de difração formada no anteparo apresenta maior espaçamento por terem “orifícios” mais juntos do que os nylons.
Observou-se que os estudantes nesse grupo não conseguiram explicar com clareza suas ideias de acordo com o conceito de difração, porém podemos inferir que demonstraram ter noção de alguns fatores que influenciam no fenômeno, como, por exemplo, que o padrão da difração depende dos espaçamento entre as fendas onde a luz incide. Isso foi abordado nos experimentos dos painéis de interferência.
A figura6.5mostra o modelo e a explicação elaborados pelos grupos G2.
Figura 6.5 – Foto do modelo e discussão apresentada pelos estudantes do grupo 2 como explicação da difração da luz na tela de uma celular.
Quando o G2 compara a difração da luz na tela do celular com a observada nos nylons, distingui-se que os dois materiais têm os espaçamentos dos orifícios diferenciados, demons- trando que concebem o conceito de que a difração depende desse fator, onde o material com orifícios mais juntos apresenta a figura de difração com pontos mais afastados. Estes foram conceitos discutidos nas aulas anteriores. Percebe-se que os estudantes estão reproduzindo concepções que assimilaram por causa do desenvolvimento das atividades. Contudo, o grupo explica que a reflexão da luz na tela do celular ocorreu devido à superfície ser “espelhada”. Aparentemente os estudantes tentaram explicar que a luz na tela do celular não “passa” pelos orifícios e sim é refletida por vários pontos da tela. Porém ao citarem “espelhada”, parece que envolvem a ideia de que a luz está sendo refletida por uma superfície lisa, onde os raios de luz são refletidos mantendo o paralelismo, que ocorre em uma reflexão regular. Ao que parece, o grupo não refletiu sobre como deve ocorrer o processo para que a luz refletida de vários pontos na tela do celular sofra interferência. Ou seja, os raios de luz devem percorrer caminhos diferen- tes para que quando se cruzarem no anteparo ocorra interferência formando pontos de máximos e mínimos, sendo que na superfície espelhada, reflexão regular, isso não seria possível. Nesse caso a explicação dos estudantes apresenta esse ponto negativo.
Observando o desenho pode-se perceber que os estudantes desenharam a luz refletida pela tela do celular, formando as interferências construtivas e destrutivas, definindo-as respec-
tivamente, como pontos claros e escuros. Nesse caso, é perceptível a presença de conceitos apresentados e discutidos nas atividades anteriores.
Mesmo que o G2 não tenha explicado corretamente a reflexão na estrutura da tela de ce- lular para justificar a difração da luz, o grupo apresentou alguns conceitos que foram discutidos nas aulas anteriores. Por isso, pode-se inferir que as atividades foram produtivas para a apropri- ação de alguns conceitos, porém seria necessário mais tempo para envolver outros assuntos para melhor apropriação conceitual sobre os temas de difração e interferência, como, por exemplo, discutir de forma mais clara como ocorre a difração por “reflexão” nos átomos do cristal, para melhor compreensão da difração ocorrida ao incidir luz na tela do celular.
A figura6.6mostra o modelo e a explicação elaborados pelos grupos G5.
Figura 6.6 – Foto do modelo e discussão apresentados pelos estudantes do grupo 5 como explicação da difração da luz na tela de uma celular.
Ao analisar a justificativa apresentada pelo G5 (figura6.6) pode se perceber que os estu- dantes associaram a formação da figura de difração da luz devido à interferência entre os raios refletidos por cristais presentes na tela do celular. Ao que tudo indica, o grupo refletiu sobre a necessidade dos raios refletidos saírem de vários pontos da tela e que quando se cruzam ocorre a interferência. Observa-se, ainda, que no desenho eles representaram a tela sendo constituída por algumas estruturas, que definiram como “cristais”, por onde a luz foi refletida. Contudo, os estudantes explicam a ocorrência da difração devido à reflexão difusa da luz ao incidir nos cristais constituintes da tela do celular, porém deve-se considerar que a interferência ocorre pela diferença de caminho dos raios refletidos de cada ponto da tela, portanto, não é viável associar os conceitos de difração e interferência com a reflexão difusa. Isso mostra um ponto negativo apresentado na explicação do grupo.
“Não é tipo uma superfície espelhada perfeita, o laser bate em um cristal, uma parte volta em uma direção, outra parte volta em outra, quando eles se cru- zam podem ocorrer a interferência e com isso a difração. Quando os raios se espalhavam eles podem se interferir.”
No trecho transcrito, pode ser visto que o estudante explicou a ocorrência da difração de forma satisfatória, considerando que ocorre o cruzamento de dois raios de luz provenientes da tela do celular. Porém, ele referiu-se ao conceito de reflexão difusa ao citar que a tela não é “espelhada perfeita” e que os raios refletidos provenientes de “um cristal” podem se cruzar e ocorrer a interferência. Aparentemente o estudante não concebe a ideia de que a interferência ocorre devido ao cruzamento dos raios refletidos por vários cristais da tela por descreverem trajetórias com diferenças de caminhos.
Pode-se perceber algumas falhas conceituais nas explicações dos estudantes. Em con- trapartida, há também presença de concepções formadas sobre como ocorre a interferência e difração, fundamentadas nas discussões das atividades desenvolvidas nessa pesquisa.
A atividade mostrou cooperação no trabalho dos grupos, visto que proporcionou a dis- cussão entre os estudantes para que chegassem a uma explicação lógica para o assunto. A inter- venção da professora foi mínima, mostrando que os grupos estavam interessados em formular suas próprias ideias e seguros quanto às suas concepções.